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Java类加载

Mr.C大约 6 分钟JavaClass

在Java编程中，类的加载是一个关键过程，它将字节码文件转换为运行时可以使用的对象。本文将详细介绍Java的类加载机制，并通过一个简单的示例进行演示。

1. Java类加载器

Java类加载器是JVM的一个重要组成部分，它的主要任务是从磁盘、网络或其他数据源读取字节码并将其转换为运行时可以使用的Java对象。Java的类加载器分为三个层次：Bootstrap ClassLoader（引导类加载器）、Extension ClassLoader（扩展类加载器）和AppClassLoader（应用程序类加载器）。

  • Bootstrap ClassLoader：由C++实现，负责加载JDK的lib目录下的核心类库，如rt.jar。
  • Extension ClassLoader：加载JAVA_HOME/lib/ext目录下的jar包或者java.ext.dirs系统属性指定的路径下的jar包。
  • AppClassLoader：也称为SystemClassLoader，加载当前应用的ClassPath下的所有类。

2. 类加载过程

类的加载过程包括加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段。

  • 加载：读取二进制数据，创建Class对象。
  • 验证：确保被加载的类信息符合JVM规范，不会危害系统安全。
  • 准备：为类的静态变量分配内存，并初始化为默认值。
  • 解析：将符号引用转为直接引用，即把类、接口、字段、方法的符号引用解析为直接引用。
  • 初始化：执行类的初始化方法 <clinit>。

3. 示例代码

下面是一个简单的类加载器示例：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    public Class<?> loadClass(String className) throws ClassNotFoundException {
        try {
            byte[] classBytes = loadClassData(className);
            return defineClass(className, classBytes, 0, classBytes.length);
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException(className, e);
        }
    }

    private byte[] loadClassData(String className) throws IOException {
        // 这里通常从文件、网络等获取class数据
        String path = className.replace(".", "/") + ".class";
        InputStream is = getClass().getResourceAsStream(path);
        if (is == null) {
            throw new FileNotFoundException("File not found: " + path);
        }
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        int ch;
        while ((ch = is.read()) != -1) {
            baos.write(ch);
        }
        return baos.toByteArray();
    }
}

这个例子定义了一个自定义类加载器，覆盖了loadClass方法，从当前类的资源路径加载类的数据。

4. 双亲委派模型

在Java中，类加载器遵循"双亲委派模型"。当一个类加载器接收到加载类的请求时，它首先会把这个请求委托给父加载器去完成，只有在父加载器无法加载这个类时，子加载器才会尝试自己去加载。这样设计可以避免类的重复加载，保证了同一个类只会被加载一次。 根据双亲委派模型，当一个类加载器加载一个类时，它会先委托其父类加载器去加载，如果父类加载器无法加载，则尝试自己加载。这样的委派机制保证了类的唯一性和一致性，同时也限制了类加载器之间的可见性。 在双亲委派模型下，子类加载器可以访问父类加载器加载的类，但是父类加载器无法访问子类加载器加载的类。这就导致了一种单向的可见性，即上层类加载器对下层类加载器的类可见，而下层类加载器对上层类加载器的类不可见。 这种限制保证了类加载器之间的隔离性，防止了类的混乱和冲突。同时，也确保了类加载器之间的独立性，每个类加载器加载的类都有自己的命名空间，不会受到其他类加载器的影响。

破环双亲委派模型

双亲委托模型（Parental Delegation Model）是Java类加载机制的一种，它的核心思想是：子类加载器在尝试加载类时，会先将请求委派给父类加载器。这样可以确保系统类（如java.*开头的类）由启动类加载器加载，而用户自定义类由应用类加载器加载，从而保证了系统的安全性和稳定性。

loadClass与findClass

  1. loadClass(): 这是一个protected方法，由ClassLoader的子类实现。这个方法尝试加载指定名称的类。如果类已经加载，它就返回对应的Class对象。如果没有找到，那么它会调用findClass()方法来查找和加载类。loadClass()方法使用双亲委派模型，即先让父类加载器尝试加载，如果父类加载器无法加载，再由当前类加载器加载。

  2. findClass(): 这个方法是由每个类加载器自己实现的，具体如何查找和加载类。在默认情况下，这个方法会在指定的目录下寻找.class文件，然后读取并生成Class对象。如果你想要自定义类加载的方式，比如从数据库或网络中加载类，你通常需要重写这个方法。

总的来说，loadClass()是高层接口，它是用户面对的，而findClass()则是实际进行加载操作的方法，是底层实现。在默认情况下，loadClass()会调用findClass()进行类的查找和加载，但用户可以通过覆盖loadClass()方法来改变这种行为。

破坏双亲委托模型demo

破坏双亲委托模型通常是不推荐的行为，因为这可能会导致类加载混乱和安全性问题。但如果确实有特殊需求，可以通过以下方式来实现：

  1. 自定义类加载器：创建一个新的类加载器，覆盖其loadClass()方法，不在其中调用父类加载器的loadClass()方法，而是直接从特定位置加载类。
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        // 不使用父类加载器，自行加载类
        return super.findSystemClass(name);
    }
}

5. 命名空间隔离

在 Java 的类加载机制中，命名空间隔离是指不同的类加载器加载的类之间相互隔离，即使这些类具有相同的类名和包名。这种隔离性是通过类加载器的双亲委派模型来实现的。

由于不同的类加载器加载类的时候遵循双亲委派模型，同一个类在不同的类加载器中被加载后会形成不同的类定义，即使这些类具有相同的类名和包名。这就导致了命名空间隔离，即同一个类在不同的类加载器中被加载后，它们之间是相互隔离的，互相不可见，也就避免了类的冲突和混乱。

命名空间隔离在 Java 中有着重要的作用，它保证了不同组件、模块或应用之间的类不会相互干扰，确保了系统的稳定性和安全性。

6. 类的卸载

在 Java 中，类的卸载是指在运行时从内存中移除已加载的类。Java 虚拟机（JVM）具有自动的垃圾回收机制，其中包括对不再使用的类进行卸载的功能。类的卸载通常发生在以下情况下：

  1. 类加载器被卸载：当一个类加载器被回收时，它加载的所有类也会被卸载。这通常发生在应用程序重新加载或卸载模块时。

  2. 类不再被引用：当一个类不再被任何对象引用时，它会成为垃圾对象。在垃圾回收过程中，如果 JVM 发现某个类没有任何实例对象引用它，那么该类就会被卸载。

  3. 类的Class对象不再被引用

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